Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD CAM trong thiết kế chế tạo và kiểm tra bánh răng côn răng thẳng

Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Mục đích nghiên cứu 11 Đối tƣợng nghiên cứu 11 Nhiệm vụ nghiên cứu 11 Giới hạn đề tài 11 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 12 Phƣơng pháp nghiên cứu 12 7.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận 12 7.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 12 Bố cục luận văn 12 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM 13 1.1 Tổng quan CAD/CAM 13 1.1.1 Lịch sử đời phát triển CAD/CAM 13 1.1.2 Khái niệm CAD ứng dụng 14 1.1.3 Khái niệm CAM ứng dụng 17 1.2 Ứng dụng CAD/CAM sản xuất khí 18 1.2.1 Đối tƣợng CAD/CAM 18 1.2.2 Ứng dụng CAD/CAM sản xuất khí 19 1.3 Kết luận chƣơng I 23 CHƢƠNG II CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BÁNH RĂNG VÀ BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG 24 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 2.1 Khái niệm chung bánh 24 2.1.1 Khái niệm bánh 24 2.1.2 Phân loại bánh 25 2.2 Khái niệm bánh thân khai 26 2.2.1 Đƣờng thân khai 26 2.2.2 Bánh thân khai 27 2.2.3 Bánh có biên dạng thân khai đƣợc sử dụng phổ biến : 29 2.3 Các phƣơng pháp chế tạo bánh thƣờng dùng 29 2.3.1 Yêu cầu kỹ thuật bánh 29 2.3.2 Các phƣơng pháp chế tạo bánh thƣờng dùng 30 2.4 Khái niệm bánh côn thẳng 33 2.4.1 Khái niệm 33 2.4.2 Các thơng số hình học chủ yếu 33 2.4.3 Các phƣơng pháp gia công bánh côn thẳng thƣờng dùng 35 2.5 Kết luận chƣơng II 39 CHƢƠNG III ỨNG DỤNG CAD TRONG THIẾT KẾ BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG 40 3.1 Cơ sở để xây dựng đƣờng thân khai CAD 40 3.2 Thiết lập phƣơng trình bề mặt bánh côn thẳng biên dạng thân khai 41 3.3 Xây dựng bề mặt bánh côn thẳng CAD 45 3.4 Kết luận chƣơng III 50 CHƢƠNG IV ỨNG DỤNG CAM TRONG CHẾ TẠO BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG VÀ KIỂM TRA 51 4.1 Đƣờng dụng cụ gia công CNC 51 4.1.1 Khái niệm đƣờng dụng cụ 51 4.1.2 Các thông số đƣờng dụng cụ 53 4.2 Xây dựng đƣờng chạy dao gia công bánh côn thẳng 54 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 4.2.1 Cơ sở để xây dựng 54 4.2.2 Xây dựng phƣơng trình đƣờng chạy dao gia công bánh côn thẳng 56 4.3 Gia công bánh côn thẳng phần mềm CAM 59 4.3.1 Thiết kế trình cơng nghệ gia cơng bánh 59 4.3.2 Sử dụng Mastercam để sinh chƣơng trình NC gia cơng bánh 62 4.4 Gia công kiểm nghiệm phƣơng pháp 67 4.4.1 Chọn máy gia công 67 4.4.2 Quá trình giá đặt gia công chi tiết 68 4.5.Kiểm tra đánh giá độ xác 72 4.5.1 Các thông số cần kiểm tra 72 4.5.2 Kiểm tra số thông số phƣơng pháp truyền thống 73 4.5.3 Kiểm tra bánh côn thẳng phƣơng pháp đo tọa độ máy CMM 75 4.5.4 Xử lý số liệu sau đo 79 4.6 Kết luận chƣơng IV 84 KẾT LUẬN VÀ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 85 Kết luận 85 Một số kiến nghị 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, mà viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu nhƣ ý tƣởng Tác giả khác có đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể Luận văn chƣa đƣợc bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹ chƣa đƣợc công bố phƣơng tiện thông tin Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà cam đoan Hà Nội, tháng 08 năm 2012 Học viên Nguyễn Thanh Tùng Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 LỜI MỞ ĐẦU Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn Viện Cơ Khí - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, Viện đào tạo Sau Đại học - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, Trƣờng Đại Học Mỏ - Địa Chất, Bộ mơn Kỹ Thuật Cơ Khí - Trƣờng Đại Học Mỏ - Địa Chất, Khoa Cơ Điện - Trƣờng Đại Học Mỏ - Địa Chất tạo điều kiện để Tác giả hoàn thành luận văn Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc, Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy TS Bùi Ngọc Tuyên , ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn Tác giả làm đề tài Do trình độ thân cịn hạn chế, viết đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, bổ sung Thầy đề luận văn đƣợc hoàn thiện Tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả đề tài Nguyễn Thanh Tùng Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ trình thiết kế truyền thống có trợ giúp CAD/CAM Hình 1.2 Sơ đồ chu kỳ sản xuất truyền thống Hình 1.3 Chu kỳ sản xuất có trợ giúp CAD/CAM Hình 1.4 Quy trình thiết gia cơng truyền thống Hình 1.5 Quy trình thiết gia cơng theo cơng nghệ CAD/CAM Hình 2.1 Các loại bánh Hình 2.2 Sự hình thành đƣờng thân khai Hình 2.3 Sơ đồ tính đƣờng thân khai Hình 2.4 Bánh biên dạng thân khai Hình 2.5 Thơng số hình học bánh thân khai Hình 2.6 Gia cơng bánh phƣơng pháp phay định hình Hình 2.7 Xọc bao hình Hình 2.8 Bánh răng thẳng Hình 2.9 Thơng số hình học bánh răng thẳng Hình 2.10 Gia công bánh côn dao phay đĩa modul Hình 2.11 Bào bao hình bánh răng thẳng Hình 2.12 Gia cơng bánh phƣơng pháp bao hình Hình 2.13 Phay bánh bao hình bánh Hình 2.14 Bào bánh dao Hình 3.1 Sơ đồ xác định tọa độ điểm M Hình 3.2 Sơ đồ bánh Hình 3.3 Sơ đồ tính bánh Hình 3.4 Sơ đồ tính OO’ Hình 3.5 Dựng kích thƣớc hình học phơi Hình 3.6 Hình dạng phơi Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 Hình 3.7 Xây dựng điểm Hình 3.8 Tọa độ điểm Hình 3.9 Tọa độ điểm liên kết Hình 3.10 Đƣờng thân khai Hình 3.11 Rãnh bánh Hình 3.12 Tạo rãnh Hình 3.13 Bánh Hình 4.1 Đƣờng dụng cụ Hình 4.2 Kiểu đƣờng chạy dao Hình 4.3 Hƣớng cắt Hình 4.4 Khoảng cách đƣờng chạy dao Hình 4.5 Đƣờng chạy dao theo bề mặt Hình 4.6 Mơ hình bánh tƣơng đƣơng Hình 4.7 Sơ đồ thiết lập đƣờng chạy dao Hình 4.8 Phơi bánh Hình 4.9 Dao phay đầu cầu Hình 4.10 Chọn máy Hình 4.11 Nhập phơi Hình 4.12 Đƣờng dụng cụ Hình 4.13 Chọn dụng cụ chế độ cơng nghệ Hình 4.14 Chạy chƣơng trình gia cơng Hình 4.15 Máy phay HITACHI MCV 40 Hình 4.16 Gia cơng tạo phơi Hình 4.17 Q trình gá đặt chi tiết Hình 4.18 Gia cơng mặt phụ nhỏ Hình 4.19 Hình ảnh gia cơng bánh Hình 4.20 Sơ đồ đo sai lệch bƣớc vòng Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 Hình 4.21 Đo sai số profin Hình 4.22 Sơ đồ thiết lập hệ trục tọa độ Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1 Liên kết tọa độ điểm với bảng exel Bảng 4.1 Số liệu biên dạng bánh trái Bảng 4.2 Số liệu biên dạng bánh phải Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bánh nói chung bánh thân khai nói riêng chi tiết phổ biến dùng chuyền động khí, chúng có bề mặt phức tạp, việc chế tạo khơng đơn giản nhiều cơng sức, địi hỏi phải có máy gia cơng dụng cụ chuyên dùng Công nghệ CAD/CAM đƣợc giới nghiên cứu ứng dụng từ lâu, có đóng góp định sản xuất nghiên cứu Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM kếPt hợp với CNC vào việc thiết kế gia công bánh nhằm nâng cao hiệu độ tin cậy việc thiết kế, chế tạo Thơng thƣờng để gia công bánh phải đầu tƣ máy móc thiết bị chun dùng nên chúng khơng đƣợc sử dụng hết công suất gây lãng phí, dẫn tới giá thành sản phẩm cao Do ngƣời ta đầu tƣ chúng để gia công bánh phổ biến, bánh tiêu chuẩn Một số vấn đề đặt : Thứ : bánh phi tiêu chuẩn, bánh lớn, bánh dùng thiết bị đặc biệt việc thiết kế, chế tạo ? Khi để làm đƣợc việc lại phải đầu tƣ máy móc thiết bị chuyên dùng, sản lƣợng khơng nhiều, điều dẫn tới hiệu kinh tế khơng cao Thứ hai : Đối với phân xƣởng nhỏ trung bình, khơng có điều kiện đầu tƣ máy móc chun dùng để gia công bánh Khi phân xƣởng có nhu cầu chế tạo bánh để sản xuất, thay sửa chữa việc phải đặt hàng gây tốn kinh tế thời gian, thực tế đa phần phân xƣởng đƣợc trang bị máy CNC vạn Vấn đề làm để tận dụng đƣợc máy CNC để đáp ứng đƣợc yêu cầu chế tạo bánh Từ yêu cầu Tác giả chọn hƣớng nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM để giải vấn đề 10 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 4.5.2 Kiểm tra số thông số phƣơng pháp truyền thống Phƣơng pháp đo sai số bƣớc Bƣớc vòng t bánh khoảng cách hai profin phía hai kề đo theo cung tròn đồng tâm bánh Sai số tích lũy bƣớc vịng trị số sai lệch bƣớc vòng lớn sau vòng quay bánh đƣợc quy định sai lệch giới hạn bƣớc vịng, Nó dùng đánh giá mức làm việc êm bánh Sơ đồ kiểm tra sai số bƣớc vịng Hình 4.20 : Sơ đồ đo sai lệch bƣớc vòng Máy đo bao gồm : đĩa chia 3, chốt định vị 2, bánh kiểm tra đƣợc lắp cố định đĩa chia 3, Mỏ đo tỳ vào đầu có gắn đồng hồ so Ban đầu ta điều chỉnh cho đồng hồ số Sau ta tiến hành rút chốt định vị quay bánh đĩa quay góc   2. để đầu đo tỳ vào profin ghi lại kết Z đồng hồ đo Ta làm nhƣ đến đo hết các 73 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 Đo sai số profin Sai số profin sai lệch lớn biên dạng thực với biên dạng lý thuyết yêu cầu Để so sánh dạng thực với dạng lý thuyết, ta tiến hành so sánh qua hai chuyển động: chuyển động tạo hình thân khai mẫu chuyển động đo đầu đo rà liên tục biên dạng thực bánh đo Sai lệch hai chuyển động cho ta sai số profin hay gọi sai số dạng Hình 4.21 Đo sai số profin Ta tiến hành kiểm tra sai số profin bánh thông qua cách Cách : Kiểm tra sai số dƣỡng chép hình ( hình 4.21b) Cách : dùng máy đo chuyên dùng ( hình 4.21a) Đĩa đƣợc lắp cố định với bánh cần kiểm tra 2, thƣớc tiếp xúc với đĩa đầu đo tiếp xúc với bánh 2, đầu đo có đầu tỳ liên kết với đồng hồ đo Điều chỉnh đồng hồ mức 0, sau ta tiến hành quay bánh răng, biên dạng bánh có sai số đồng hồ thay đổi giá trị 74 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 4.5.3 Kiểm tra bánh côn thẳng phƣơng pháp đo tọa độ máy CMM Giới thiệu máy đô tọa độ CMM Máy đo toạ độ ba chiều dùng để đo kiểm tra thông số hình học chi tiết khí CMM cịn dùng để chép hình vật mẫu tạo file liệu CAD dùng thiết kế khuôn mẫu CMM đƣợc điều khiển DNC nhờ hỗ trợ phần mềm PC-DMIS chạy môi trƣờng Windows Hệ thống máy đo tọa tộ bao gồm hệ thống hoàn chỉnh gồm : - Máy CMM - Máy tính hộp điều khiển - Máy nén khí - Máy hút ẩm Cấu tạo máy đo tọa độ CMM gồm : Bàn máy đƣợc chế tạo với độ ổn định cao Trên bề mặt bàn có cấy vào chi tiết ren thép để tiện cho việc cặp chi tiết, ta gá chi tiết lên máy để thực trình đo Đầu đo tiếp xúc đƣợc gắn lên đầu trục Z lực từ, đầu đo đƣợc bố trí theo nhiều phƣơng hƣớng khác ta thay đổi góc quay Hộp điều khiển có nhiệm vụ điều khiển đầu đo đến vị trí chi tiết cần đo, đƣa đầu đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết cách nhẹ nhàng Phƣơng pháp đo máy đo tọa độ CMM a Thông số bánh côn thẳng cần đo Modun m = 10 Số Z = 12 Góc  = 530 75 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 b Sơ đồ trình đo Bƣớc 1: Xác lập hệ trục tọa độ cho bánh cần đo (hình 4.22) - Đặt mặt đầu bánh cần đo lên mặt chuẩn máy đo Chú ý: mặt đầu bánh mặt đƣợc sử dụng làm chuẩn gia công bánh - Dùng đầu đo xác định mặt trụ lắp ghép với trục bánh Ban đầu, ta reset máy cho mặt xOy song song trùng với mặt chuẩn máy, sau đó, ta xác lập gốc hệ trục tọa độ Oz trùng với đƣờng tâm bánh cần kiểm tra - Ta đo hai mặt đầu bánh côn Bƣớc 2: Tiến hành đo - Ta tiến hành quét profin mặt theo mặt phẳng song song với mặt phẳng xOy, tƣơng ứng với cao độ Z khác nhau, ta thu đƣợc tọa độ điểm profin ( xi ,yi ,zi ) - Nếu quét toàn bề mặt số điểm vơ lớn, vậy, ta tiến hành quét cao độ Z khác - Để quét đƣợc ta phải xác lập đƣờng cho đầu quét máy đo Ta phải chọn điểm bắt đầu đƣờng quét (dùng hộp điều khiển điều khiển đầu đo chạm vào bề mặt răng), điểm kết thúc đƣờng quét điểm để thể hƣớng quét Tất đƣờng quét phải làm nhƣ Hình 4.22: Sơ đồ thiết lập hệ trục tọa độ 76 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 c Kết phép đo Tác giả tiến hành đo tọa độ điểm biên dạng bánh Do số lƣợng điểm lớn nên Tác giả tiến hành đo hữu hạn số cao độ khác để kiểm tra biên dạng Kết phép đo SCN1 = FEAT/SCAN, LINEAROPEN EXEC MODE = NORMAL, NOMS MODE = MASTER, CLEARPLANE = NO, SINGLEPOINT = NO, THICKNESS = 0, FINDNOMS=0.25 SHOWHITS=YES, SHOWALLPARAMS=NO DIR1=LINE,INCR=0.5 HITTYPE=VECTOR MEAS/SCAN BASICSCAN/LINE,SHOWHITS=YES,SHOWALLPARAMS=NO HIT/VECTOR,74.824,128.282,-335.808,-0.0913056,-0.9958224,0.000997,74.824,128.282,-335.808,T=0 HIT/VECTOR,74.329,128.329,-335.807,-0.0916275,-0.9957928,0.0009971,74.329,128.329,-335.807,T=0 HIT/VECTOR,73.829,128.374,-335.808,-0.0935292,-0.995616,0.0009975,73.829,128.374,-335.808,T=0 HIT/VECTOR,73.339,128.422,-335.808,-0.1041601,-0.99456,0.0009994,73.339,128.422,-335.808,T=0 HIT/VECTOR,72.853,128.476,-335.808,-0.1204968,-0.9927132,0.0010022,72.853,128.476,-335.808,T=0 HIT/VECTOR,72.353,128.542,-335.808,-0.1213358,-0.992611,0.0010023,72.353,128.542,-335.808,T=0 77 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 HIT/VECTOR,71.856,128.598,-335.808,-0.1270957,-0.9918899,0.0010032,71.856,128.598,-335.808,T=0 HIT/VECTOR,71.374,128.667,-335.808,-0.1447632,-0.9894658,0.0010058,71.374,128.667,-335.808,T=0 …………………………………………………………………………………… HIT/VECTOR,59.64,131.187,-335.809,-0.2673484,-0.9635994,0.0010149,59.64,131.187,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,59.17,131.331,-335.809,-0.2854045,-0.9584066,0.0010149,59.17,131.331,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,58.676,131.473,-335.809,-0.2772708,-0.9607913,0.001015,58.676,131.473,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,58.192,131.613,-335.809,-0.2787634,-0.9603593,0.001015,58.192,131.613,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,57.72,131.752,-335.809,-0.2904765,-0.9568816,0.0010149,57.72,131.752,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,57.238,131.903,-335.809,-0.2916767,-0.9565164,0.0010148,57.238,131.903,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,56.746,132.049,-335.809,-0.2852022,-0.9584668,0.0010149,56.746,132.049,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,56.262,132.193,-335.809,-0.2858342,-0.9582785,0.0010149,56.262,132.193,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,55.783,132.336,-335.809,-0.2908883,-0.9567565,0.0010149,55.783,132.336,-335.809,T=0 HIT/VECTOR,55.426,132.446,-335.809,-0.2958727,-0.9552268,0.0010148,55.426,132.446,-335.809,T=0 ENDSCAN ENDMEAS/ 78 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 4.5.4 Xử lý số liệu sau đo Phƣơng pháp xử lý Số liệu sau đo đƣợc cho dƣới dạng tọa độ dạng hình ảnh điểm đo Khi ta đo tọa độ hệ đo máy không trùng với tọa độ gia công bánh răng, nên để xử lý số liệu đo cần đƣa tọa độ điểm đo tọa độ gia công Và tọa độ trùng với tọa độ lý thuyết xây dựng phƣơng trình bề mặt Khi việc xác định sai số đơn giản Trong số liệu đo có nhiều tọa độ nhƣ X,Y,Z,P,Q,R, Nhƣng để kiểm tra độ xác biên dạng quan tâm tới tọa độ X,Y,Z Để đƣa hệ tọa độ máy hệ tọa độ gia công cần chuyển hệ tọa độ máy tịnh tiến theo phƣơng Z khoảng 335.809 mm theo ma trận sau 1 T (0,0, h j )  0 0    335.809 Vậy tọa độ điểm M :  x M   xd  y   y   M  d  z M   z d  1 0  0    335.809 Sau xác định đƣợc tọa độ điểm M phép đo, ta tiến hành so sánh tọa độ điểm M lý thuyết để tìm sai số Ta tiến hành theo phƣơng án sau Phƣơng án 1: Tính sai số profine qua điểm đo - Loại bỏ số liệu không hợp lệ  Từ tọa độ điểm M ta tính đƣợc bán kính tƣơng ứng RM  Loại bỏ số liệu không thỏa mã điều kiện Ri  RM  Re 79 Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2012 - Cố định Z cách Lấy Zđ = Zlt - Lấy xd = xlt làm chuẩn  tính ylt  tính sai số ylt - yd = y - Lấy yd = ylt làm chuẩn  tính xlt  tính sai số xlt - xd = x - Đánh giá sai số x y - Kết luận Thuật toán cách kiểm tra input NhËp täa ®é ®iĨm ®o TÝnh RM KiĨm tra ®iỊu kiƯn Ri